Обработка металлов сопровождается теплообразованием при резании, о чем свидетельствует сильный нагрев стружки, фрезы и в меньшей степени обрабатываемой детали.
Основными источниками образования теплоты при резании являются деформация срезаемого слоя металла и трение поверхностей зубьев фрезы, стружек и заготовки. При деформации частицы металла сдвигаются относительно друг друга, между ними возникает сильное трение, в результате которого выделяется теплота. Ее называют теплотой внутреннего трения в отличие от теплоты внешнего трения, которая выделяется вследствие относительного перемещения контактных поверхностей фрезы, стружки и заготовки. Исследованиями установлено, что наибольшее количество теплоты возникает из первого источника - деформации срезаемого слоя.
На интенсивность теплообразования влияют все условия резания. Однако наиболее существенное действие оказывает режим резания, с увеличением которого увеличивается работа деформации срезаемого слоя, почти полностью превращающаяся в теплоту.
Теплота при резании распределяется между стружкой, фрезой, заготовкой и окружающей средой. Причем доля ее поступления в тот или иной объект зависит прежде всего от теплоемкости материала последнего и скорости резания. При работе фрезами из быстрорежущей стали теплота распределяется примерно в следующем соотношении: наибольшее ее количество (около 70...80 %) уносится стружкой, 20...25 % поступает во фрезу, 4.9 % - в заготовку и около 1 % - в окружающую среду. Для твердосплавных фрез это соотношение несколько изменяется в сторону увеличения теплоты, уносимой стружкой, и уменьшения количества теплоты, поглощаемой фрезой, что объясняется более высокой скоростью резания и меньшей теплоемкостью твердого сплава.
Теплообразование при резании само по себе не является определяющим фактором уменьшения стойкости инструмента. Отрицательное действие проявляется в нагреве зубьев фрезы. Температура нагрева, в свою очередь, зависит как от количества подводимой теплоты, так и от теплоемкости нагреваемого тела или, в данном случае, зуба фрезы. Естественно, чем больше масса зуба, или иными словами - теплоемкость, тем более снижается интенсивность его нагрева. А так как массивность режущего клина зуба определяется его геометрической формой, то для повышения стойкости фрезы весьма важно правильно выбрать ее геометрию соответственно условиям выполняемой работы.
При исследовании теплообразования при резании металла установлено, что на температуру нагрева резца наибольшее влияние оказывает скорость резания, меньшее - подача и наименьшее - глубина резания, а для фрезерных работ и ширина фрезерования. Эта закономерность служит исходным положением для установления рациональных режимов резания.
Одним из эффективных средств уменьшения нагрева фрезы является применение смазывающе-охлаждающих жидкостей, которые не только уменьшают внешнее трение, но и отбирают теплоту из зоны резания.
Тепловые явления при фрезеровании
В процессе резания работа сил, затрачиваемая на деформирование и разрушение срезаемого слоя, а также на трение стружки по передней поверхности инструмента и материала заготовки по задней, практически вся (>99%) переходит в теплоту. Больше половины всей выделяемой теплоты отводится стружкой, остальная переходит в деталь, инструмент, станок, рассеивается в атмосферу. В результате нагрева стружки на ее поверхности образуется окисная пленка, цвет которой зависит от температуры нагрева. Фрезеровщик по цвету стружки может ориентировочно определить температуру в зоне резания. При фрезеровании конструкционных сталей (сталь 40) стружка принимает желтый цвет при температуре 500 К, светло-синий соответствует температуре 700-800 К, а темно-синий свидетельствует, что температура нагрева превышает 1000-1100 К. Если обрабатывают жаропрочные сплавы, то желтый цвет стружки указывает на температуру 700-800 К, а синий - на 1000-1100 К.
Количество теплоты, выделяющейся при резании, и ее распределение влияют на стойкость режущего инструмента, качество обработки поверхности деталей, температурную деформацию обрабатываемой заготовки, фрезы, узлов станка и приспособлений.
Распределение теплоты между заготовкой, инструментом и стружкой зависит от многих факторов. Характер ее распределения является важной информацией для выбора рациональных условий резания. Наибольшее значение имеет температура нагрева режущей части инструмента.
Известно несколько методов измерения температуры нагрева режущего инструмента в процессе резания: с помощью искусственных термопар, при помощи термокрасок, калориметрический, радиационный.
При фрезеровании заданного материала наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость главного движения резания И несколько меньшее - подача. Например, при фрезеровании стали марки 20Х13 двойное увеличение скорости главного движения резания способствует повышению температуры на 70%, а аналогичное изменение подачи вызывает рост температуры только на 25%. Если увеличивается глубина фрезерования - это приводит к повышению температуры в зоне резания, а если увеличивается ширина фрезерования, то это практически не сказывается на изменении температуры.
Рассматривая геометрические параметры которые имеют зубья фрезы, заметим, что наибольшее влияние на температуру резания оказывает передний угол. С уменьшением переднего угла возрастает деформация срезаемого слоя, что вызывает повышение температуры в зоне резания. При увеличении переднего угла уменьшается как деформация срезаемого слоя, так и масса режущего клина, влияющая на отвод тепла. Поэтому чрезмерное увеличение переднего угла также может вызывать повышение температуры в зоне резания.
Температура в зоне резания возрастает с увеличением износа зуба фрезы и особенно при достижении критерия затупления.
